Sistem Navigasi Ruangan Quadcopter Dengan Menggunakan Sensor Ultrasonik Yosa Rosario, Rudy Dikairono, ST., MT. dan Dr. Tri AriefSardjono,S.T., M.T Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Perkembangan ilmu elektronika semakin pesat, contohnya dalam ilmu penerbangan yang saat ini lagi gencar dalam menerbangkan quadcopter. Quadcopter adalah benda terbang seperti helicopter yang dilengkapi oleh 4 buah rotor yang berguna sebagai penggeraknya. Cara terbang quadcopter hampir sama dengan helicopter, kedua benda terbang ini menggunakan tekanan angin kebawah untuk terbang, namun cara menstabilkan kondisi terbang quadcopter berbeda dengan helicopter. Helicopter terbang dengan menekan udara kebawah dibantu oleh stabilizer yang berada di ekor helicopter untuk menstabilkan posisi. sedangkan quadcopter tidak menggunakan balingbaling pada bagian ekor. Quadcopter menekan udara kebawah untuk terbang, namun quadcopter mengatur kestabilan dengan cara mengatur kecepatan empat buah rotor yang terdapat pada setiap ujung quadcopter. Quadcopter menggunakan sensor ultrasonic untuk membaca jarak dari quadcopter. Pada saat terbang quadcopter memanfaatkan kontroler PID yang tertanam pada modul ardupilot untuk mengatur dan memonitoring quadcopter. Ardupilot mengirim informasi pada Mikrokontroler ARM STM32F4, dimana ARM STM32F4 akan memproses hasil pembacaan dari sensor dan modul ardupilot selanjutnya mikrokontroler akan melakukan kalkulasi untuk member data hasil navigasi quadcopter. Tujuan akhir dari tugas akhir ini adalah membuat navigasi quadcopter didalam ruangan dimana quadcopter dapat berpindah posisi dalam ruangan dan mengirimkan hasil navigasi kepada komputer melalui komunikasi wireless untuk selanjutnya hasil navigasi ditampilkan pada komputer. Kata Kunci : quadcopter, navigasi.
1. PENDAHULUAN Quadcopter adalah Unmanned Aerial Vehicle (UAV) berupa benda terbang seperti helicopter. Quadcopter terbang menggunakan balingbaling berjumlah empat, ke empat baling-baling pada quadcopter digerakkan oleh rotor yang diletakan simetris pada masing-masing ujungnya. Dalam impelmentasinya, quadcopter difungsikan pada suatu bidang x,y,dan z dengan titik pusat berada pada bagian tengah quadcopter. Sumbu x merupakan garis sejajar dengan bidang lengan depan quadcopter, sumbu y merupakan garis bidang lengan depan quadcopter, sumbu y merupakan garis bidang sejajar dengan bidang lengan samping kanan quadcopter
dan sumbu z merupakan garis tegak lurus 90 derajat ke arah bawah quadcopter. Ketiga sumbu tersebut digunakan sebagai acuan gerak quadcopter [1]. Quadcopter banyak digunakan dalam berbagai aplikasi seperti untuk pengawasan, misi pengintaian, bahkan fungsi militer. Quadcopter dapat dioperasikan di dalam maupun luar ruangan. Beberapa aplikasi yang dapat dilakukan Quadcopter adalah : 1. Pengamatan Udara. 2. Hobi dan Profesional Fotografi dan Video Udara. 3. Media Promosi / Iklan. 4. Monitoring Laju Lalu Lintas Kendaraan. 5. Identifikasi Tanaman pada Pertanian. 6. Sarana Pembelajaran. 7. Pengamatan Gunung Berapi. 8. Pemetaan Hutan, dsb. 2. TEORI PENUNJANG Pada bagian ini akan menjelaskan bagaimana navigasi pada Unmanned Aerial Vehicle (UAV). quadcopter, perangkat keras penyusun quadcopter, Sensor yang digunakan.
2.1. Navigasi pada UAV Navigasi atau panduan arah merupakan teknik untuk membaca kedudukan (posisi) dan arah benda terhadap kondisi disekitarnya. Pada umumnya menemukan kedudukan dan posisi dari benda dapat dilakukan dengan melihat beberapa penanda seperti posisi bintang sebagai penanda posisi dan arah. UAV atau kendaraan udara tanpa awak adalah teknologi yang sedang mengalami perkembangan dengan potensi yang sangat besar, baik untuk keperluan militer maupun kepentingan sipil. Kelebihan dari UAV adalah dapat digunakan pada misi-misi berbahaya tanpa membahayakan pilot / manusia.
2.2. Quadcopter Quadcopter tersusun atas empat buah rotor dan merupakan benda terbang yang memiliki gerakan yang lebih leluasa dibandingkan dengan helicopter. Terdapat 4 gerakan dasar pada quadcopter yakni gerakan akselerasi (throttle), gerakan sudut roll,gerakan sudut pitch, dan gerakan sudut yaw. Gerakan throttle merupakan gerak translasi quadcotper sepanjang garis sumbu-z. Gerakan ini dipengaruhi dengan perubahan kecepatan keempat
rotor dengan nilai yang sama. Dengan pergerakan throttle quadcopter akan naik atau turun sesuai dengan kecepatan pada setiap rotor quadcopter. Gerakan roll merupakan gerakan rotasi pada sumbu x. gerakan ini dipengaruhi oleh perubahan kecepatan rotor kanan dan kiri. Gerakan pitch merupakan gerakan rotasi pada sumbu y. gerakan ini dipengaruhi oleh perubahan kecepatan pada motor depan dan belakang. Gerakan sudut yaw merupakan gerakan rotasi pada sumbu z[2].
Gambar 1 Sudut Quadcopter
2.3. Modul Sensor Ultrasonik SRF05 Sensor ultrasonic SRF05 dapat mengukur jarak antara 2 cm sampai 300 cm (sesuai sensor yang digunakan). keluaran dari sensor ini berupa pulsa yang lebarnya menggambarkan jarak. Lebar pulsanya bervariasi dari 100 uS sampai 25 mS. Sensor ultrasonic SRF05 terdiri dari sebuah chip pembangkit sinyal 40KHz, sebuah speaker ultrasonic dan sebuah microphone ultrasonic. Speaker ultrasonic mengubah sinyal 40 KHz menjadi suara sementara microphoneultrasonic berfungsi untuk mendeteksi pantulan suaranya[3].
. Gambar 3 Sensor Accelerometer LSM303LHC
LSM303LHC adalah sensor 3D accelerometer dan 3D Magnetometer yang di gabungkan dalam satu modul. Sensor LSM303LHC memiliki empat tahap pengsekalaan ±2g/±4g/±8g/±16g, dengan outputnya berupa komunikasi I2c dengan jumlah bit sebesar 16 Bit. Sensor ini bekerja pada tegangan 2,16V hingga 3,6 [4].
2.5. Komunikasi Data Serial Bluetooth Komunikasi antara quadcopter dengan komputer menggunakan penghubung berupa komunikasi melalui bluetooth. Modul bluetooth yang digunakan adalah CuteDigi BMX Bluetooth to UART/I2C/USB Module (GEN II) dengan spesifikasi[5] : • Kelas 2, (2.48GHz) Bluetooth modul • Serial komunikasi: 2.1 Mbps (Max) / 160 kbps • Built-in antena keramik kompak • Konsumsi daya rendah: 50mA • Operasi tegangan: +3,5 V
Gambar 4 Modul Bluetooth
2.6. Mikrokontroller ARM STM32F407VG DISCOVERY Gambar 2 Timing Diagram Ultrasonic
2.4. Sensor Accelerometer LSM303LHC Accelerometer adalah sebuah tranduser yang berfungsi untuk mengukur kecepatan, ataupun untuk mengukur percepatan akibat gravitasi bumi. Accelerometer juga dapat digunakan untuk mengukur getaran yang terjadi pada kendaraan, bangunan, mesin, dan juga bisa digunakan untuk mengukur getaran yang terjadi di dalam bumi, getaran mesin, jarak yang dinamis, dan kecepatan dengan ataupun tanpa pengaruh gravitasi bumi. Bentuk fisik dari accelerometer akan ditunjukkan pada gambar 7.
Mikrokontroller ARM STM32F407VG DISCOVERY adalah sebuah modul mikrokontroller yang dijadikan menjadi sebuah modul dengan tujuan untuk mempelajari fungsi-fungsi yang dimikliki oleh mikrokontroler ARM STM32F4[6]
Gambar 5 Modul ARM STM32F407VG DISCOVERY
2
2.7. CooCox IDE (CoIDE) Coocox adalah bahasa pemrograman yang tidak berbayar (freeware), digunakan untuk melakukan pemerograman yang untuk mikrokontroller ARM cortex Cortex M0, M3 dan M4. CoIDE ini menggunakan bahas C yang merupakan bahasa yang umum digunakan dalam bahasa pemerograman. selain itu CoIDE menawarkan fitur-fitur menarik sebagai sebuah IDE, seperti adanya komponen (atau library), code completion dan lain-lain.
Sistem Navigasi pada quadcopter ini dilengkapi dengan beberapa sensor, kontroler dan sistem komunikasi wireless. Kontroler yang digunakan untuk pengaturan kestabilan terbang pada sistem ini adalah sebuah mikrokontroler. Mikrokontroler juga digunakan untuk mengirim data-data pengukuran dari sensor yang ada pada quadcopter. Sedangkan komputer digunakan sebagai hasil monitoring yang didapatkan oleh quadcopter seperti ketinggian, sudut pitch, sudut sudut roll dan sinyal masukan pada tiap-tiap motor.
Gambar 8 Block Diagram arsitektur sistem navigasi UAV quadcopter Gambar 6 Coocox IDE
2.8. Modul CIRUS AIOP Modul CIRUS AIOP merupakan modul yang digunakan untuk mengatur kestabilan terbang dari quadcopter, modul ini menerima input output mikro arm, dan selanjutnya digunkan untuk mengendalikan quadcopter untuk terbang. Modul CIRUS AIOP adalah modul untuk membuat quadcopter. Modul ini dapat di masukkan program Megapirateng2.8 yang merupakan program untuk menerbangkan quadcopter. Penggunaan pin modul ini deisesuaikan pada datasheet modul. Modul ini mampu untuk ditambahkan dengan GPS, Multi Wii Xbee, RC receiver dapat dilihat pada Gambar 7 untuk pengaturan pin kontroler CIRUS AIOP.
Gambar 7 Skematik dari rangkaian CIRUS AIOP
3. RANCANG BANGUN ALAT 3.1 Arsitektur Sistem Navigasi pada UAV Quadcopter
Perangkat lunak yang digunakan untuk menampilkan hasil monitoring yang di dapat oleh quadcopter adalah program yang berbasis visual basic 6 dengan bantuan modul bluetooth sebagai media komunikasi quadcopter dengan komputer yang diletakkan pada quadcopter yang dengan gelombang frekuensi 2.4 GHz. Komunikasi antara komputer dengan quadcopter bertujuan untuk mendapatkan hasil monitoring dari sensor gyroscope, accelerometer dan hasil pembacaan sensor ultrasonik. Selain digunakan sebagai pembaca hasil monitoring dari quadcopter. Visual basic juga digunakan sebagai pemberi perintah untuk quadcopter untuk berpindah posisi seuai dengan point yang di berikan oleh visual basic 6. 3.2
Identifikasi Kebutuhan Quadcopter yang dibuat harus mampu memenuhi spesifikasi yang ada. Untuk memenuhinya, perlu dijabarkan apa saja yang dibutuhkan baik berupa perancangan perangkat keras, perancangan kontroler dan perancangan perangkat lunak yang mengintegrasikan sistem tersebut. Secara umum quadcopter dapat didefinisikan sebagai berikut: 1. Quadcopter didesain se-ringan mungkin. 2. Baterai yang digunakan minimal dapat terbang sekitar 15-20 menit. 3. Rangkaian mikrokontroler yang digunakan memiliki jumlah input/output yang cukup untuk pemasangan receiver remote dan beberapa sensor serta memory yang cukup banyak agar mampu menyimpan program yang cukup banyak.
3
4.
Pengukur jarak Ultrasonik yang dapat bekerja dengan baik saat keadaan terbang. 5. Quadcopter mampu melakukan komunikasi dengan computer melalui bantuan bluetooth 6. Remote control minimal terdapat 5 kanal, 4 kanal sebagai pergerakan naik, roll, pitch, dan yaw kemudian 1 kanal digunakan sebagai switch pengaktifkan mode autonomous. 7. Terdapat komunikasi dengan program visual basic 6 yang terdapat pada komputer. 3.3 Perancangan Hardware Quadcopter Perancangan hardware yang baik akan mendukung pergerakan quadcopter menjadi lebih baik, oleh karena itu perancangan hardware dalam hal ini dalam memilih frame haruslah proporsional sesuai dengan kebutuhan quadcopter a. Motor Brushless motor brushless memiliki rugi-rugi sikat yang kecil sehingga motor ini dapat berputar lebih cepat daripada motor DC. Motor buatan RCTimer yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu seri 2830-11 dapat berputar mencapai 1000 rpm/v. Karena termasuk kategori motor AC maka diperlukan inverter (pembalik tegangan), sebuah ESC (Electronic Speed Controller) berfungsi sebagai pembalik tegangan dari tegangan DC menjadi AC sekaligus sebagai frekuensi variabel untuk mengatur kecepatan motor brushless. ESC diatur dengan menggunakan member input sinyal PWM yang bervariasi dari 1 milidetik minimum sampai 2 milidetik maksimum dan periode 20 milidetik seperti pada gambar 9. Isnyal yang digunakan untuk mengatur kecepatan Motor brushless menggunakan ESC dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 10 Cara merubah arah putar motor brushless
b.
frame Quadcopter memili 4 buah rotor sebagai penggerak baling-baling. Bentuk yang didapat dari studi literatur yang telah dipelajari didapatkan bentuk dan design yang akan digunakan.
Gambar 11 Desain quadcopter dalam 2D
Setelah itu di pilih frame yang cocok digunakan oleh quadcopter. Setelah bentuk telah ditentukan, selanjutnya diimplementasikan. Hasil implementasi yang dikerjakan berdasarkan desain yang didapatkan dari hasil referensi.
Gambar 12 frame quadcopter
c. Gambar 9 Sinyal untuk mengatur keceptan motor brushless
Pada keluaran ESC ada 3 buah konektor yang terhubung dengan BLDC motor. Untuk mengatur arah putaran pada motor brushless, tidak bisa dilakukan dengan membalik sinyal masukan sinyal kontrol seperi yang dilakukan pada motor DC pada umumnya. Kita harus menukar urutan keluaran ESC dengan masukan motor brushless agar putaran yang dihasilkan berubah.
Mikrokontroler Untuk mikrokontroler pada rangkaian ini digunakan dua buah mikrokontroler utama dengan fungsi yang berbeda. mikrokontroler yang pertama adalah mikrokontroler ATMega2560 yang tergabung menjadi satu pada modul Crius AIOP V2, mikrokontroler ini digunakan untuk mengontrol kecepatan dari motor brushless dan mengambil nilai sudut x,y dan z pada quadcopter yang nantinya akan dikirimkan pada mikrokontroler STM32F4. Mikrokontroler utama dalam pengambilan nilai navigasi dalam rangkaian ini adalah ARM STM32F4, dimana mikrokontroler ini memproses semua yang didapatkan dari modul-modul sensor
4
yang terpasang pada mikrokontroler yang selanjutnya di kirimkan ke computer d. Remote control Quadcopter dilengkapi dengan remote control agar quadcopter juga dapat dikontrol secara manual oleh pilot. Ada 2 bagian dari remote control yang digunakan, yaitu remote control sendiri dan receiver-nya yang dipasangkan pada Mikrokontroler ARM STM32F4 yang berada pada quadcopter.
Gambar 12 Receiver dan bentuk sinyal pada remote control
Modul receiver ini digunakan untuk menerima sinyal yang dikirimkan dari remote, keluaran dari modul receiver ini berupa sinyal 50Hz dengan lebar pulsa minimal adalah 1ms dan lebar pulsa maksimal adalah 2ms. Besar sinyal ini yang nantinya diterjemahkan oleh mikrokontroler yang kemudian sebagai acuan suatu gerakan pada quadcopter. Receiver ini merupakan pasangan dari remote merek Turnigy 9X yang memiliki 9 channel, namun hanya 5 channel yang digunakan yaitu throttle, roll, pitch, yaw dan auto (untuk switch pilot mode atau auto mode), keluaran dari receiver yang digunakan adalah 5 channel, ke-lima channel tersebut dihubungkan ke mikrokontroler melalui pin external interrupt (any chance mode) kemudian sinyal high yang diterima dihitung menggunakan timer. 4. PENGUJIAN ALAT Berdasarkan spesifikasi sistem yang telah dijelaskan sebelumnya, maka dilakukan pengujian dan analisis terhadap sistem. Tujuan pengujian dan analisis ini adalah untuk membuktikan apakah sistem yang akan diimplementasaikan telah memenuhi spesifikasi yang telah direncanakan sebelumnya. Hasil pengujian dan analisis akan dimanfaatkan untuk penyempurnaan kinerja sistem dan sekaligus digunakan dalam pengembangan lebih lanjut. 4.2 Pengujian Terbang Manual Pengujian ini dilakukan untuk memastikan program terbang manual menggunakan remote control dapat bekerja dengan baik. Hal ini perlu dilakukan karena sebelum memasuki pada tahapan otomatis diperlukan kendali secara manual terlebih dahulu. Selain itu pengujian terbang manual juga diperlukan untuk membaca data-data sensor yang diperlukan dalam perancangan kontroler dan analisa data. Salah satu gambar saat pengujian terbang manual ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 13 Pengujian terbang manual menggunakan remote Dari hasil terbang secara manual ini maka di ujicobakan berapa seting PID yang cocok untuk di implementasikan pada quadcopter yang disetingkan pada modul ardupilot melalui software yang bernamana mission planner.
Gambar 14 Setting PID untuk Ardupilot Setelah melakukan uji coba terbang dan mencoba mengatur berapa seting PID yang cocok untuk digunakan, maka selanjutnya setingan ini dijadikan settingan default untuk menerbangkan quadcopter. Pengaturan PID quadcopter berbedabeda, disesuaikan dengan beban, jenis motor dan battery yang terpasang pada quadcopter 4.3
Pembacaan Hasil Navigasi Setelah pengujian terbang manual telah dilakukan dan didapatkan pengaturan PID yang pas untuk di implementasikan pada quadcopter yang digunakan, selanjutnya adalah membaca hasil navigasi quadcopter. Dalam pengujian hasil navigasi. Quadcopter akan melakukan gerakan untuk berpindah posisi, selanjutnya selama berpinda, quadcopter akan mengirimkan hasil navigasinya kepada monitor dan di tunjukkna melalui program visual basic 6
Gambar 15 Hasil navigasi
5
5. PENUTUP Kesimpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan pada pengerjaan tugas akhir ini, maka dapat diperoleh beberapa simpulan diantaranya: 1. Dalam pembuatan quadcopter sebaiknya menggunakan motor brushless yang digerakkan oleh ESC karena lebih mudah dalam mengatur kecepatannya 2. PID untuk quadcopter berbeda-beda, penentuan PID pada quadcopter disesuaikan dengan berat quadcopter, lebar frame, besar daya pada baterai dan torsi dari motor. 3. Sebaiknya sudut terbang dari quadcopter dikunci, karena bila sudut dari quadcopter berputar-putar maka mempersusah ultrasonic untuk membaca halangan. 4. Dalam menggunakan ultrasonic pada quadcopter sebaiknya menggunakan P yang sangat kecil, agar quadcopter tidak terlalu serong untuk berpindah posisi. 5. Pembacaan sensor ultrasonic masih terbatas untuk bidang yang permukaannya hampir sepenuhnya datar. Saran Untuk kelanjutan riset yang akan datang, ada beberapa saran yang diberikan penulis : 1. Penerapan metode olah data sensor yang lebih baik agar mendapatkan hasil pembacaan jarak yang baik. 2. Memperhatikan massa dari quadcopter, semakin ringan akan semakin baik karena motor tidak terlalu bekerja keras untuk membuat quadcopter terbang di udara. 3. Gunakan baterai yang dayanya lebih besar, karena lebih semakin besar daya baterai semakin tercukupi kebutuhan daya dari quadcopter 4. Penggunaan metode kontrol yang lebih baik.
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
Kardono, Rusdhianto Effendi AK,“Perancangan dan Implementasi Sistem Pengaturan Optimal LQRuntuk Menjaga Kestabilan Hover pada Quadcopter”, Tugas Akhir, ITS Surabaya, 2012 Yusuf ,Zam, “Perancangan Dan Impelentasi Kontroler Pid Untuk Autonomus Moving Forward Manuever Pada Quadcopter”, Tugas Akhir, ITS Surabaya, 2012 Wikipedia, “SensorUltrasonic” , http://id.wikipedia.org/wiki/Sensor_Ultrasoni c _%28sistem%29 , 10 Februari2013
[4] [5]
[6] [7]
www.st.com.“Datasheet Accelero LSM303DLHC”. STMicroelectronics.2011 Robot Shop,DFRobot Serial Bluetooth Module, http://www.robotshop.com/dfrobotserial-bluetooth-module-3.html, 7 Oktober 2012 www.st.com “UM1472 User Manual”, STMicroelectronics .2012 www.st.com “Datasheet STM32F405xx STM32F405xx”, STMicroelectronics .2012 RIWAYAT PENULIS
Yosa Rosario, kelahiran Surabaya 9 mei 1989. Merupakan anak pertama dari tiga bersaudara. Lulus SDN Ketegan I taman pada tahun 2001, kemudian melanjutkan belajar di SMPN 2 Taman dan lulus pada tahun 2004 kemudian melanjutkan pendidikan SMA di SMA Trimurti Surabaya hingga tahun 2007. Setelah menyelesaikan jenjang pendidakan SMA penulis melanjutkan ke bangku perkuliahan diawali dengan kuliah di Diploma 3 Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Setelah menyelesaikan jenjang perkuliahan D3 pada tahun 2010. Kemudian penulis melanjutkan studi sarjana program s1 Lintas jalur Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institu Teknologi Sepuluh Nopember pada bulan Agustus tahun 2010 dan terdaftar dengan NRP 2210105040. Selama masa perkuliahan, penulis sempat mengambil cuti dikarenakan bekerja, pada tahun 2011-2013. Penulis bekerja di Pertamina Drilling Service Indonesia (PDSI) dengan posisi “Pemuka Electric” pada saat masih berumur 21th. Dikarenakan tidak sesuai dengan visi penulis, maka penulis mengambil keputusan untuk melanjutkan kuliah di tahun 2012 dan mengambil fokus studi elektronika. Penulis mengikuti ujian tugas akhir pada bidang studi elektronika sebagai salah satu peryaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro.
6
